Bài học

Vận dụng: dự đoán dòng điện cảm ứng trong các thí nghiệm

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được hai yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của dòng điện cảm ứng (tốc độ biến thiên từ trường và số vòng dây của cuộn dây), và vận dụng được cả điều kiện xuất hiện lẫn độ lớn dòng điện cảm ứng để giải các bài tập mô tả thí nghiệm nhiều giai đoạn, mang tính tổng hợp hơn bài trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã nắm được điều kiện có hay không có dòng điện cảm ứng. Bài này trả lời tiếp câu hỏi lớn hay nhỏ: cùng là có dòng điện cảm ứng, nhưng độ lớn của nó phụ thuộc vào điều gì?

Khởi động

Nối một cuộn dây với một bóng đèn LED. Khi rút nam châm ra khỏi cuộn dây thật chậm, đèn hầu như không sáng hoặc sáng rất mờ. Khi rút thật nhanh, đèn sáng rõ hẳn lên trong khoảnh khắc. Cùng một nam châm, cùng một cuộn dây — vì sao độ sáng lại khác nhau?

Kiến thức trọng tâm

Độ lớn của dòng điện cảm ứng sinh ra trong cuộn dây phụ thuộc vào hai yếu tố chính.

Thứ nhất, tốc độ biến thiên của từ trường (hay tốc độ chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây): nam châm chuyển động (đưa vào, rút ra, hoặc quay) càng nhanh thì từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên càng nhanh, và dòng điện cảm ứng sinh ra càng lớn. Ngược lại, chuyển động càng chậm thì dòng điện cảm ứng càng nhỏ — đây chính là lí do đèn LED sáng rõ hơn khi rút nam châm nhanh so với rút chậm.

Thứ hai, số vòng dây của cuộn dây: với cùng một tốc độ biến thiên từ trường, cuộn dây có số vòng dây càng nhiều thì dòng điện cảm ứng sinh ra càng lớn.

Hai yếu tố này thường được kết hợp trong cùng một bài tập: một thí nghiệm có thể thay đổi tốc độ chuyển động của nam châm, hoặc thay cuộn dây có số vòng khác nhau, hoặc thay đổi cả hai cùng lúc — muốn so sánh đúng, phải xét riêng từng yếu tố một cách có hệ thống, không gộp chung một cách cảm tính.

Độ lớn của dòng điện cảm ứng sinh ra trong cuộn dây phụ thuộc vào hai yếu tố chính. **Thứ nhất, tốc độ biến thiên của từ trường** (hay tốc độ chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây): nam châm chuyển động (đưa vào, rút ra, hoặc quay) càng nhanh thì từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên càng nhanh, và dòng điện cảm ứng sinh ra càng lớn. Ngược lại, chuyển động càng chậm thì dòng điện cảm ứng càng nhỏ — đây chính là lí do đèn LED sáng rõ hơn khi rút nam châm nhanh so với rút chậm. **Thứ hai, số vòng dây của cuộn dây**: với cùng một tốc độ biến thiên từ trường, cuộn dây có số vòng dây càng nhiều thì dòng điện cảm ứng sinh ra càng lớn. Hai yếu tố này thường được kết hợp trong cùng một bài tập: một thí nghiệm có thể thay đổi tốc độ chuyển động của nam châm, hoặc thay cuộn dây có số vòng khác nhau, hoặc thay đổi cả hai cùng lúc — muốn so sánh đúng, phải xét riêng từng yếu tố một cách có hệ thống, không gộp chung một cách cảm tính.

Ví dụ

So sánh độ lớn dòng điện cảm ứng theo tốc độ chuyển động

1
Cùng một nam châm và một cuộn dây nối với đèn LED, thực hiện ba lần thí nghiệm: (1) rút nam châm ra rất chậm; (2) rút nam châm ra với tốc độ vừa phải; (3) rút nam châm ra rất nhanh. Sắp xếp độ sáng của đèn LED trong ba lần thí nghiệm theo thứ tự tăng dần.
2
Ta có tốc độ chuyển động của nam châm càng nhanh thì từ trường qua cuộn dây biến thiên càng nhanh, dòng điện cảm ứng sinh ra càng lớn, đèn LED càng sáng.
3
Lần (1) tốc độ chậm nhất nên dòng điện cảm ứng nhỏ nhất, đèn sáng mờ nhất. Lần (3) tốc độ nhanh nhất nên dòng điện cảm ứng lớn nhất, đèn sáng rõ nhất. Lần (2) ở giữa.
4
Vậy độ sáng đèn LED tăng dần theo thứ tự: lần (1) < lần (2) < lần (3), đúng theo thứ tự tốc độ rút nam châm tăng dần.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp: kết hợp số vòng dây và tốc độ chuyển động

1
Cuộn dây X có 100 vòng, cuộn dây Y có 300 vòng, hai cuộn có cùng kích thước lõi. Thí nghiệm 1: rút nam châm ra khỏi cuộn X với một tốc độ v. Thí nghiệm 2: rút cùng nam châm đó ra khỏi cuộn Y với cùng tốc độ v. Thí nghiệm 3: rút nam châm ra khỏi cuộn X nhưng với tốc độ 2v. So sánh độ lớn dòng điện cảm ứng ở ba thí nghiệm.
2
Ta có cùng tốc độ chuyển động v nên yếu tố tốc độ biến thiên như nhau ở hai thí nghiệm này. Cuộn Y có 300 vòng, nhiều hơn cuộn X (100 vòng). Theo quy luật số vòng dây, dòng điện cảm ứng ở thí nghiệm 2 (cuộn Y) lớn hơn thí nghiệm 1 (cuộn X).
3
Ta có cùng là cuộn X (100 vòng) nên yếu tố số vòng dây như nhau. Thí nghiệm 3 có tốc độ 2v, lớn gấp đôi tốc độ v của thí nghiệm 1. Theo quy luật tốc độ biến thiên, dòng điện cảm ứng ở thí nghiệm 3 lớn hơn thí nghiệm 1.
4
Vậy xét trên cuộn X, dòng điện cảm ứng ở thí nghiệm 3 lớn hơn thí nghiệm 1 nhờ tốc độ tăng gấp đôi; xét cùng tốc độ v, dòng điện cảm ứng ở cuộn Y (thí nghiệm 2) lớn hơn cuộn X (thí nghiệm 1) nhờ số vòng dây nhiều hơn — hai yếu tố tác động độc lập với nhau, không thể gộp chung khi đề bài chỉ thay đổi một yếu tố ở mỗi lần so sánh.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm rằng dòng điện cảm ứng lớn hay nhỏ phụ thuộc vào độ mạnh tuyệt đối (từ tính) của nam châm, mà quên mất hai yếu tố thực sự được xét ở lớp 9 là tốc độ biến thiên từ trường và số vòng dây của cuộn dây. Khi so sánh, phải giữ cố định các yếu tố khác và chỉ thay đổi đúng một yếu tố đang xét, nếu không phép so sánh sẽ sai.

Nhiều học sinh nhầm rằng dòng điện cảm ứng lớn hay nhỏ phụ thuộc vào độ mạnh tuyệt đối (từ tính) của nam châm, mà quên mất hai yếu tố thực sự được xét ở lớp 9 là **tốc độ biến thiên từ trường** và **số vòng dây** của cuộn dây. Khi so sánh, phải giữ cố định các yếu tố khác và chỉ thay đổi đúng một yếu tố đang xét, nếu không phép so sánh sẽ sai.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Dòng điện cảm ứng càng lớn khi: (1) tốc độ biến thiên từ trường (tốc độ chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây) càng nhanh; (2) số vòng dây của cuộn dây càng nhiều. Khi so sánh nhiều thí nghiệm, chỉ thay đổi đúng một yếu tố ở mỗi lần so sánh để kết luận chính xác.

Nếu thay vì đưa nam châm ra vào bằng tay, ta cho nam châm (hoặc cuộn dây) quay liên tục và đều đặn, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện liên tục không ngừng. Đó chính là nguyên tắc của máy phát điện — nội dung của chương tiếp theo.